JP2778719B2

JP2778719B2 - コバルトを含有する鉄基非晶質磁性合金

Info

Publication number: JP2778719B2
Application number: JP63508000A
Authority: JP
Inventors: リーベルマン，ハワード・エイチ
Original assignee: ARAIDO SHIGUNARU Inc
Current assignee: ARAIDO SHIGUNARU Inc
Priority date: 1987-10-15
Filing date: 1988-09-12
Publication date: 1998-07-23
Anticipated expiration: 2013-07-23
Also published as: DE3889457D1; DK90290A; KR970003643B1; CN1032555A; EP0380557B1; WO1989003436A1; NO901636L; EP0380557A1; NO901636D0; CN1024470C; NO177465B; NO177465C; AU2527588A; JPH03500668A; US4834815A; KR890701793A; EP0380557A4; CN1065948A; CN1030874C; DK90290D0

Description

【発明の詳細な説明】発明の分野この発明は、コバルトを含有する鉄基非晶質金属磁性
合金に関し、特に、先行技術の合金に比較して高い飽和
誘導、低い鉄損、及び低い励磁力をもつ、コバルト、ホ
ウ素、ケイ素及び炭素を含有する鉄基非晶質金属磁性合
金に関する。

発明の背景非晶質材料は実質的に長範囲にわたる原子の規則性を
欠いており、定量的に液体または無機酸化物ガラスに見
られる回折図形に類似している、拡散した（広い）強度
極大値からなるＸ線回折図形を特徴とするものである。
このような図形は、結晶質の材料に見られる、狭い強度
極大値からなる回折図形とはきわだった対照をなしてい
る。

非晶質材料は、準安定状態で存在している。従って、
十分に高い温度に加熱すると結晶化の熱の放出につれて
結晶化を始める。Ｘ線回折図形は、それによって、非晶
質に見られるものから結晶質材料に見られるものに変化
し始める。

非晶質金属合金に関する最も良く知られている刊行物
は、H.Sチェン及びD.E.ポークの米国特許第3,856,513号
である。その中で明らかにされているのは、式M_aY_bZ_cを
有する非晶質金属合金の種類である。ここで、Ｍは鉄、
ニッケル、コバルト、クロム及びバナシウムの群から選
択された少なくとも一つの金属であり、Ｙはリン、ボロ
ン及び炭素からなる群から選択された少なくとも一つの
元素であり、Ｚはアルミニウム、アンチモン、ベリリウ
ム、ゲルマニウム、インジウム、スズ及びケイ素からな
る群から選択された少なくとも一つの元素である。ａは
約60−90原子％の範囲で変動し、ｂは約10−30原子％と
範囲で変動し、ｃは約0.1−1.5原子％の範囲で変動す
る。

非晶質金属合金の分野の継続した研究と開発によっ
て、ある種の合金系は、一定の応用分野、特に、変圧
器、発電機及び電動機の鉄心材料のような電気の応用分
野における有用性を高める、磁気的及び物理的特性を有
していることが明らかになってきた。このような特性を
示すものとして早くから確認された、一つのこのような
合金は、Fe₈₀B₂₀である。

しかしながら、Fe₈₀B₂₀は、非晶質形態で鋳造するこ
とは困難であり、熱的に不安定な傾向があることが知ら
れている。従って、電磁鉄心、特に変圧器用の鉄心の製
造に非晶質金属合金を実際に使用することを可能とする
ために、より優れた安定性及び鋳造性を有する合金が開
発されなければならなかった。そのような種類の合金
が、米国特許第4,219,355号に明らかにされている。

米国特許第4,219,355号で明らかにされている合金
は、式Fe_aB_bSi_cC_dによって表されており、ここで、"
a"、"b"、"c"及び"d"は原子％で、それぞれ、ａは約80
から約82まで、ｂは約12.5から約14.5まで、ｃは約2.5
から約５まで、ｄは約1.5から約2.5までで、変動する。
これらの合金は約150℃までの温度で安定な、改良され
た交流及び直流の磁気的特性を示す。結果として、これ
らの合金は、特に、電源変圧器、航空機用変圧器、変流
器、400Hz用変圧器、磁気スイッチの鉄心、高い利得の
磁気増幅器及び低い周波数のインバーターの使用に適し
ている。

他の種類の合金には、変圧器の製造に使用するのに適
していることが確認されている。例えば、米国特許第4,
217,135号及び第4,300,950号は、変圧器の鉄心の製造に
有用なことが明らかににされている、ある種の鉄−ホウ
素−ケイ素合金に関する。

上記引用特許の開示からただちに明らかなように、非
晶質金属合金の鋳造性、結果として生ずる磁気的及び機
械的特性、及びこれらの特性の熱的安定性に劇的な効果
を達成するためには、化学組成の相違は、大きい必要が
ないことがよく認識されている。変圧器の鉄心用の材料
に、特に、鋳造の容易さ、高い飽和磁化、低い鉄損、低
い励磁力、延性及び高い熱的安定性が最も求められてい
る特性である。

よりよく変圧器の製造業のニーズに合致する合金がど
うゆうものかを確認することについて実質的な進歩が見
られたが、より高い飽和誘導、より低い鉄損、より低い
励磁力及び高い使用温度におけるより良い熱的安定性に
ついても更に開発が必要である。

発明の簡単な説明本発明は、本質的に式Fe_a-bCo_bB_cSi_dC_eによって表さ
れている組成からなる新規な非晶質金属磁性合金に関
し、ここで、“a"、“b"、“c"、“d"及び“e"は原子％
であって、それぞれ、75〜85、0.1〜0.8、12〜15、２〜
５、１〜３の範囲で変動する。本発明の合金は、優れた
鋳造性及び延性を特徴とするものである。

本発明は、また、少なくとも90％以上の非晶質の上記
の磁性合金に関する。本発明の非晶質合金は、100℃で
少なくとも1.5Tの飽和磁化の値を示しており、かつ、10
0℃で0.2W/kgより低い鉄損を示している。更に、本発明
の非晶質合金は、好ましくは1.5Tの誘導レベルで0.3VA/
kgより低い励磁力の値を示す。

本発明は、また、このような非晶質磁性合金を包含す
る、改良された鉄心に関する。その改良された鉄心は、
非晶質金属合金を包含し、この合金は、鉄、ケイ素、ホ
ウ素、炭素及びコバルトを含む組成を有し、磁界の存在
下において焼きなましされているものである。

図面の簡単な説明第１図は、先行技術の合金Fe₈₁B_13.5Si_3.5C₂及び本願
発明の合金Fe_80.5Co_0.5Ｂ_13.5Si_3.5C₂に対する、キュー
リー温度並びに一次及び二次結晶化温度の比較曲線を示
すものである。

第２図は、二つの先行技術の合金Fe₈₁B_13.5Si_3.5C₂及
びFe₇₈B₁₃Si₉のそれぞれの、本願発明の合金Fe_80.5Co
_0.5Ｂ_13.5Si_3.5C₂の種々の温度の関数としての飽和誘導
の値を示すグラフである。

第3a図及び第3b図は、先行技術の合金Fe₈₁B_13.5Si_3.5
C₂及び本願発明の合金Fe_80.5Co_0.5Ｂ_13.5Si_3.5C₂の試料
の種々の誘導の値における、鉄損及び励磁力を、それぞ
れ、グラフによって比較しているものである。

第４図は、先行技術の合金Fe₇₈B₁₃Si₉及び本願発明の
合金Fe_80.5Co_0.5Ｂ_13.5Si_3.5C₂の種々の試料に対して種
々の温度における相対的な鉄損を示すものである。

第5a図及び第5b図は、先行技術の合金Fe₈₁B_13.5Si_3.5
C₂、本願発明の好適な合金Fe_80.5Co_0.5Ｂ_13.5Si_3.5C₂及
び本願発明の範囲外の合金Fe₈₀Co₁B_13.5Si_3.5C₂の種々
の誘導の値における、鉄損及び励磁力をそれぞれグラフ
によって示すものである。

発明の詳細な説明本発明の非晶質金属磁性合金の組成は、式Fe_a-bCo_bB_c
Si_dC_e及び付随する不純物によって表され、ここで
“a"、“b"、“c"、“d"及び“e"は原子％であり、“a"
は75〜85の範囲、“b"は0.1〜0.8の範囲、“c"は12〜15
の範囲、“d"は２〜５の範囲、“e"は１〜３の範囲であ
る。ａからｅまでの合計に不純物を加えると100に等し
い。

本発明の合金は、少なくとも90％非晶質、好ましくは
95％非晶質、より好ましくは実質的に完全に非晶質の形
態である場合に、高い飽和磁化の値、低い交流の鉄損及
び低い励磁力によって示される、高い直流及び交流の磁
気的特性を示すものである。

本発明の非晶質金属磁性合金は、その合金の溶融物を
少なくとも10⁵K/secの速度で冷却するすることによって
形成される。典型的には、特別な組成は、必要な元素の
粉末または顆粒（または、フェロボロン、フェロシリコ
ンのような元素に分解する材料）から所望の割合で選択
され、次いて、それが溶融され、均質化される。その溶
融物は、次に平面状で急冷された（splat quenched）
箔、または連続した線材、ストリップ、シート等のよう
な各種の製品を形成するために冷却面に堆積される。

最も好ましくは、溶融物は、例えば米国特許第4,221,
257号に明らかにされている回転できるホイールのよう
な、急速に動く冷却面の上に該溶融物を堆積させること
により急速に冷却される。

本発明の非晶質金属磁性合金は、高い飽和磁化、低い
鉄損及び低い励磁力の最適な組み合わせをもたらすもの
である。それぞれの合金の与えられた個々の特性は最高
値に比べれば低いかもしれないが、それにもかかわらず
本発明の合金は、磁性鉄心、特に変圧器の製造業におい
て使用されるこれらの鉄心の製造に必要な諸特性の中
で、理想的なバランスを構成するものである。

本発明の非晶質金属磁性合金は、好ましくは−40〜＋
150℃の温度の範囲にわたって、少なくとも1.5Tの飽和
磁化の値を示すものである。そして、より好ましくはそ
れらは、20℃で少なくとも1.67Tの飽和磁化の値を示
し、最も好ましくは80℃（非晶質合金配電変圧器の普通
の作動温度）で少なくとも1.55Tの値を示すものであ
る。このような非晶質の合金に起因する鉄損は1.3Tの誘
導において、−40〜＋150℃の範囲にわたって0.2W/kgを
超えない。より好ましくは、鉄損は、80〜100℃におい
て1.3Tの誘導で0.18W/kgより低く、そして、より好まし
くは、100℃及び1.3Tの誘導で0.17W/kgより高くない鉄
損を示すものである。その上、本発明の非晶質合金は、
1.5Tと同様に高い誘導レベルで0.3VA/kgより低く、好ま
しくは、このような誘導レベルで0.25VA/kgより低く、
より好ましくは、1.3Tで0.20VA/kgより大きくない励磁
力を示すものである。

本発明の合金は、先行技術の合金に比較して、同程度
の加工性を示している。加えて、本発明の非晶質合金
は、第１図のグラフによって示されているようにある種
の好適な先行技術の合金よりより安定である。特に、鉄
の代わりに0.5原子％のコバルトが使われている本発明
の非晶質合金のキューリー温度は、コバルトを含有しな
い相当する先行技術合金のそれよりも11K高い。

本発明の合金の成分は、上述の諸性質の発揮に寄与す
るものである。磁気的飽和を最大にするためには、鉄の
含有量はできるだけ高くされるべきである。本発明の合
金の鉄の含有量が、75〜85原子％の範囲で変動すること
ができる場合に、最大の飽和の値を達成するために少な
くとも79原子％と鉄含有量を保つことが最も好ましい。
ホウ素は、勿論金属の非晶質形態を助長するために加え
られる。ケイ素は、その合金の結晶化温度及び磁気的安
定性を増大させるために加えられる。炭素は、合金を非
晶質状態に処理するのを容易にするために加えられる。
従って、ホウ素、ケイ素及び炭素の含有量は、12〜15、
２〜５、１〜３の範囲にそれぞれ保持される。

本発明によって、鉄の代替物としてのコバルトの添加
は、予想される以上に上で詳述した成分によって影響さ
れた全ての特性を高めることが分かった。しかしなが
ら、コバルトの添加は、0.1〜0.8原子％の範囲内におい
て、最も好ましくは0.4〜0.6原子％の範囲にコバルトが
存在するように、注意深く調整される必要がある。

本発明の非晶質合金の特性は、更にその合金を焼きな
ますことによって高められる。焼きなましの方法は、一
般に、応力除去を達成するために十分であるが結晶化を
開始するのに必要な温度より低い温度まで合金を加熱
し、冷却し、そして少なくとも焼きなましのサイクルの
間、最も好ましくは冷却工程の間も、合金に磁界をかけ
ることからなる。一般的に、300〜400℃の範囲の温度が
加熱の間使用され、その中で360〜370℃の温度が最も好
ましい。0.5〜75℃/minの冷却速度が使用され、その中1
0〜15℃/minが最も好ましい。

上で論じたように、本発明の非晶質合金はそれを組み
込む装置の通常の作動温度（80℃〜120℃）で安定であ
るような改善された磁気的諸性質を示し、事実第２図及
び第４図で示されるように、少なくとも150℃までの温
度で充分安定である。高い熱的安定性は、本発明の非晶
質合金を変圧器の鉄芯材料、特に配電変圧器（distribu
tion transformer）への使用に適するものとされてい
る。詳細には、異常に低い鉄損と共に得られる高い誘導
の値は、同じ堆積の鉄芯をもつ先行技術の変圧器に比較
して高い容量の変圧器の作動を可能にする。その上に、
低いエネルギー損失は冷却容量の必要性を低くすること
を可能にし、それによって、航空機の使用に用いられる
変圧器にとって特に意義のある重量の軽減を可能にす
る。更により低い励磁力のレベルは、また本発明の非晶
質合金から形成された変圧器の効率を高め、それに対し
て動力の節約に寄与することになる。

次の実施例は本発明を例証するために示されている。
詳細な技術、条件、材料、割合及び記録されたデータ
が、発明を例証するために記載されているが、添付され
た請求の範囲によって限定された発明の範囲を制限する
ものとして解釈されるべきではない。

実施例１組成Fe₈₁B_13.5Si_3.5C₂を有する先行技術の非晶質合金
の試料及び本願発明の好適な合金Fe_80.5Co_0.5Ｂ_13.5Si
_3.5C₂試料は、これら材料のキューリー温度および一次
及び二次結晶化温度を決定するために、DSC分析（20℃/
minの走査速度）を受けた。先行技術の材料及び本願発
明の好適な合金のどちらも次の工程によって製造され
た。

ベリリウム−銅基体を有する、焼嵌め鋳造ホイール
が、鉄基非晶質金属リボンを製造するのに使用された。
鋳造ホイールは、米国特許第4,537,239号で説明された
ものに類似した直径38cm,幅38cmの内部冷却構造を有し
ている。それは、20m/sの円周面速度に相当する、990rp
mの速度で回転された。基体は、鋳造方向の外側に約10^c
傾斜したアイドリングブラシホイール（idling brushwh
eel）により、走行中に連続的に調整された。それぞれ
幅1.5mmのもつ一番目及び二番目のリップ（リップは冷
却ロールの回転を方向に番号を付けられた）によって制
限された幅0.4mm及び長さ10cmの細長い穴（slot）付き
のオリフィスをもつノズルは、一次及び二次のリップと
鋳造ホイール表面の間の隙間が0.2mmのような鋳造ホイ
ールの外周面の移動の方向に垂直に載置された。

約1,100℃の融点をもつ鉄基金属合金は、1,300℃、約
2.9psig（20kPa）の圧力下で保持されているるつぼから
ノズルに供給された。圧力は、アルゴンガスシールの方
法（gas blanket）によって供給された。溶融合金は、2
2km/minの速度で細長い穴付きのオリフィスを通って排
出された。それは、冷却ロールの表面上で10cmの幅をも
つ0.026mmの厚さのストリップに凝固された。Ｘ線回折
計を使っての試験で、ストリップは、組織的に非晶質で
あることが分かった。

第１図で示しているように、コバルトの添加は、より
安定な非晶質の効果を示す特性であるところのキューリ
ー温度の劇的な増大及び一次結晶化温度の意義のある増
大を引き起こす。

実験例２下記の合金の試料は、その飽和誘導曲線を明らかにす
る温度の範囲にわたって試験された。第２図の合金１
は、本願発明の好適な合金Fe_80.5Co_0.5Ｂ_13.5Si_3.5C₂に
よって生じた曲線を指す。第２図の合金２は、商業的に
利用できる合金Fe₇₈B₁₃Si₉によって生じた曲線を指す。
第２図の合金３は、もう一つの商業的に利用できる合金
Fe₈₁B_13.5Si_3.5C₂を指す。試料は、実施例１で説明され
た工程に従って製造された。環状体の試料は、それぞれ
内径17.5cm外径24.8cmの鉄心を製造するために、上で詳
細に説明されたそれぞれの組成をもつ、約15.4kg幅10cm
の合金リボンを鋼製マンドレルに巻き付けることによっ
て製造された。40巻きの高温磁性ワイヤは、焼きなまし
の目的の10 Oeの直流の環状磁場を生ずるように、環状
体に巻つけられた。

合金２の試料は、加熱及び冷却の間、磁場をかけなが
ら、360℃で２時間、窒素雰囲気中で焼きなましされ
た。

合金１及び合金３の見本は、加熱及び冷却の間中、該
領域の中で、355℃で２時間、窒素雰囲気中で焼きなま
しされた。それぞれの試料は、約12℃/minの急冷速度で
200℃まで冷却され、その後、室温まで冷却された。飽
和磁化の値は、−40〜＋150℃の範囲の温度にわたって
決定された。温度に対する飽和誘導の値の図は、実質的
に一定温度で合金２に比較して、合金１のより高い誘導
の値、及び合金３のものに匹敵する飽和の値を、実質的
に明らかに示す。しかしながら、第3a図及び第3b図に明
らかに示されているように、合金１の鉄心の平均的鉄損
は、合金３からなる鉄心に対して達成できる平均的な鉄
損及び励磁力よりかなり低い。従って、与えられた誘導
レベルで作動された本願発明の非晶質合金の鉄心は、先
行技術材料から形成された鉄心と比較して、実質的によ
り効果的であることは、容易に理解しうるところであ
る。同様に、第４図に示されたように、本発明の合金１
によって形成された鉄心は、公知の合金２によって形成
された鉄心に比べ、平均鉄損がかなり低い値を示す。

実施例３環状体の鉄芯は、公称の組成Fe_81-XCo_XB_13.5Si_3.5C₂
で、ｘ＝0,0.5及び1.0を有する合金から組み立てられ
た。これらの環状体は、その後、それぞれの鉄心の試料
に対して、誘導曲線対磁気損失を明らかにするために、
誘導レベルの範囲にわたって試験された。第5a図及び第
5b図においては、それぞれの合金の曲線は、ｘ＝１、ｘ
＝0.5、ｘ＝０の場合の合金から形成された鉄心の結果
を、それぞれ表している。

合金は、実施例１で説明されたものととてもよく類似
した工程によって製造された。磁気的測定に用いる合金
から製造された鉄心は、上で詳解された組成のそれぞれ
の約30g幅5cmの合金リボンを直径4cmのステアタイト・
マンドレルに巻きつけることによって準備された。100
回巻の高温磁性ワイヤは、焼きなましの目的で10 Oeの
直流の環状磁界を与えるために、環状体に巻つけられ
た。第5a図及び第5b図の曲線から容易に理解しうるよう
に、本願発明の好適な組成（すなわち、0.5％のCoを含
有する）から形成された鉄心は、通常の作動誘導レベル
にわたって、最も低い鉄損及び励磁力を示している。よ
り総括的には、コバルトの容量の臨界的意義（すなわ
ち、0.1−0.8に含有量を保持している）、および結果と
しての鉄損及び励磁力の値への劇的な影響を示してい
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭61−183454（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−246318（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−83005（ＪＰ，Ａ) 米国特許4226619（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C22C 45/02 H01F 1/14

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】実質的に式Fe_a-bCo_bB_cSi_dC_eによって表さ
れる組成及び付随する不純物とからなり、ここで“a"、
“b"、“c"、“d"及び“e"は原子％であって、それぞれ
75〜85、0.1〜0.8、12〜15、２〜５、１〜３の範囲で変
動する非晶質金属磁性合金。
【請求項２】“ａ〜b"が少なくとも79.5である請求の範
囲第１項に記載の非晶質金属磁性合金。
【請求項３】“ａ〜b"が少なくとも80.5である請求の範
囲第１項に記載の非晶質金属磁性合金。
【請求項４】“b"が0.4〜0.6の間にある請求の範囲第２
項に記載の非晶質金属磁性合金。
【請求項５】“b"が0.5である請求の範囲第３項に記載
の非晶質金属磁性合金。
【請求項６】“c"が13.5である請求の範囲第５項に記載
の非晶質金属磁性合金。
【請求項７】“d"が3.5である請求の範囲第６項に記載
の非晶質金属磁性合金。
【請求項８】“e"が２である請求の範囲第７項に記載の
非晶質金属磁性合金。
【請求項９】少なくとも90％非晶質である請求の範囲第
１項に記載の非晶質金属磁性合金。
【請求項１０】実質的に全体に非晶質である請求の範囲
第１項記載の非晶質金属磁性合金。
【請求項１１】実質的に式Fe_a-bCo_bB_cSi_dC_eによって表
される組成及び付随する不純物とからなりここで“a"、
“b"、“c"、“d"及び“e"は原子％であって、それぞ
れ、75〜85、0.1〜0.8、12〜15、２〜５、１〜３の範囲
で変動し、０℃〜100℃の温度範囲にわたって少なくと
も1.5Tの飽和誘導を有する非晶質金属磁性合金。
【請求項１２】実質的に式Fe_a-bCo_bB_cSi_dC_eによって表
される組成及び付随する不純物とからなり、ここで
“a"、“b"、“c"、“d"及び“e"は原子％であって、そ
れぞれ、75〜85、0.1〜0.8、12〜15、２〜５、１〜３の
範囲で変動し、少なくとも90％非晶質である非晶質金属
磁性合金からなる磁性鉄心。
【請求項１３】−40〜＋150℃の温度範囲にわたって、
1.3Tの誘導において、鉄損が0.2W/kgを越えない請求の
範囲第12項に記載の磁性鉄心。
【請求項１４】1.5Tまでの誘導レベルにおいて励磁力値
が0.3VA/kgを越えない請求の範囲第12項記載の磁性鉄
心。
【請求項１５】少なくとも90％非晶質であり、100℃で
少なくとも1.5Tの飽和誘導の値を有する非晶質金属磁性
合金からなる磁性鉄心であって、1.3Tの誘導レベルで0.
2W/kgより低い鉄損を示し、1.5Tの誘導レベルで0.3VA/k
gより大きくない励磁力値を示す磁性鉄心。
【請求項１６】1.3Tの誘導における励磁力値が0.20VA/k
gより大きくない請求の範囲第15項記載の磁性鉄心。